احتفالًا بالسنة الدولية لعلوم وتكنولوجيا الكم 2025، طرحت مجلة وقائع الأمم المتحدة سلسلة من الأسئلة على البروفيسور الدكتور كلاوس ريختر، رئيس الجمعية الفيزيائية الألمانية، حول طبيعة فيزياء الكم وفوائدها المحتملة للبشرية. وتهدف هذه المقابلة إلى تزويد قرائنا بمعلومات سهلة المنال حول هذا المجال العلمي والتكنولوجي شديد التعقيد.
مقابلة
تهدف السنة الدولية لعلوم وتكنولوجيا الكم إلى توسيع نطاق فهم الجمهور لتكنولوجيا الكم، بما في ذلك إمكاناتها التحويلية. ومن أجل قرّائنا على نطاق واسع، هل يمكنك شرح ما هي ميكانيكا الكم وأهميتها؟تهدف السنة الدولية لعلوم وتكنولوجيا الكم إلى توسيع نطاق فهم الجمهور لتكنولوجيا الكم، بما في ذلك إمكاناتها التحويلية. ومن أجل قرّائنا على نطاق واسع، هل يمكنك شرح ما هي ميكانيكا الكم وأهميتها؟
تصف الميكانيكا الكلاسيكية العالمَ العياني من حولنا، من حركة الكواكب إلى كرات البلياردو. إلا أنها تفشل في فهم العالم المجهري. تُعدّ ميكانيكا الكم الإطار النظري لفيزياء الكم، فهي تُغطي هذه الفجوة على أصغر مقاييس الطول، وتصف سلوك وتفاعل الجزيئات والذرات، بل وحتى الجسيمات الأصغر التي تُكوّنها. في الفيزياء الكلاسيكية، تتغير الطاقة باستمرار. أما في فيزياء الكم، فتقتصر الطاقة على قيم منفصلة وتنمو تدريجيًا. وبالتالي، فإن الطاقة تكون مضاعفًا لأصغر "وحدة الطاقة"، وهي الكمات.
لقد أكملت ميكانيكا الكمّ رؤيتنا للعالم بشكل مذهل، وجعلت الكون الذري في متناول أيدينا: ما بدأ كنظرية مبهمة عام 1925 يُمكّننا من فهم الطبيعة: لماذا تُشرق الشمس؟ ما الذي يُبقي الذرات متماسكة؟ لماذا تُساهم بعض الجزيئات في الاحترار العالمي بينما لا تُساهم جزيئات أخرى؟ لماذا الأشياء مغناطيسية؟ كل هذه التجارب اليومية لا يُمكن تفسيرها إلا بفيزياء الكم.
علاوة على ذلك، أدت ميكانيكا الكم إلى تطورات تقنية ثورية، وأصبحت الآن جزءًا لا يتجزأ من حياتنا اليومية: لنأخذ الترانزستورات كوحدات أساسية في تقنياتنا الذكية، مثل الحواسيب والهواتف المحمولة، ومصابيح الثنائيات الباعثة للضوء، كمصدر إضاءة موفر للطاقة، ونظام تحديد المواقع والملاحة (النظام العالمي لتحديد المواقع)، والتعريف الجديد للكيلوغرام، والتصوير بالرنين المغناطيسي كأداة مهمة للتشخيص الطبي. لميكانيكا الكم تأثير على جميع مجالات العلوم والتكنولوجيا والثقافة والفنون.
ذكرتَ أنه "بعد مئة عام من النجاح في فيزياء الكم، قد نكون على أعتاب ثورة كمية ثانية". ما هي التأثيرات الرئيسية القادمة في حياتنا، برأيك، نتيجة التقدم في علوم وتكنولوجيا الكم؟
بدأت "الثورة الكمومية الأولى"، المبنية على طاقة الكم والطبيعة الموجية للجسيمات الكمومية، في منتصف القرن العشرين. وبدأت "الثورة الكمومية الثانية" مع بداية القرن الحادي والعشرين تقريبًا. وهي تستند إلى القدرة المتزايدة على التحكم الكامل في السلوك الكمومي للمكونات الأولية مثل الفوتونات أو الذرات. قد تمهد هذه الإنجازات الطريق أمامنا للتفكير في الحوسبة والقياس والمعلومات في المستقبل. بعض منتجات تكنولوجيا الكم، مثل الساعات الذرية، قيد الاستخدام بالفعل؛ بينما ستنتقل منتجات أخرى، مثل الحوسبة الكمومية، من مرحلة البحث إلى التطبيقات التجارية الأولى. مع خوارزميات الكم الجديدة، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية، يومًا ما، معالجة مشاكل جديدة شديدة التعقيد. يمكن أن تؤدي أساليب التشابك المتطورة، وهي سمة أخرى مميزة لـ "الثورة الكمومية الثانية"، إلى تكنولوجيا استشعار جديدة تمامًا
أعتقد أن الإبداع في مجال تطبيقات الكم لا حدود له. يُفترض أن تقنيات الكم المستقبلية تؤثر بقوة على عالمنا من جديد. لكننا ببساطة لا نعرف متى وكيف سيحدث هذا في المستقبل البعيد. وهنا، قد يُعطينا التطور لتقنيات الكم على مدى المئة عام الماضية دليلاً: ففي الخمسينيات، لم تكن الاكتشافات الجديدة، مثل الليزر أو التلاعب بالذرة الواحدة، متوقعة. ينبغي أن نحلم بتوقع ما هو غير متوقع في مستقبلنا البعيد.
نشهد يومًا بعد يوم تطورًا وتطبيقًا سريعًا لأنظمة البيانات الضخمة والذكاء الاصطناعي. إلى أي مدى تُشكّل علوم وتكنولوجيا الكم هذه الأنظمة بالفعل، وما هي برأيك مخاطر وفرص استخدام فيزياء الكم في الذكاء الاصطناعي (والعكس صحيح)؟
إن التطورات العالمية المتسارعة والثورية المستمرة في تطبيقات البيانات الضخمة والذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي، قد انطلقت بشكل خاص من التقدم المحرز في الحوسبة عالية الأداء خلال العقد الماضي. تعتمد المعالجات وتصنيعها على تكنولوجيا الكم المتطورة للغاية، تتضمن مواد أشباه الموصلات وأشعة الليزر فوق البنفسجية الشديدة. لذا، فإن ازدهار الذكاء الاصطناعي سيكون مستحيلاً بدون ميكانيكا الكم.
وُضعت أسس الذكاء الاصطناعي في الفيزياء، وكانت البيانات الضخمة موضوعًا في فيزياء الجسيمات، على سبيل المثال، قبل أن تكتسب أهميتها العامة اليوم بوقت طويل. أما اليوم، فالعكس صحيح، إذ تُستخدم أساليب التعلم الآلي بشكل متزايد في البحث والتطوير الفيزيائي، وبالتالي، بالطبع، في ابتكار تقنيات كمية جديدة.
نلاحظ أكثر فأكثر كيف أن الأساليب المستخدمة في الذكاء الاصطناعي والفيزياء الكمومية والحوسبة الكمومية أصبحت متشابكة بشكل متزايد. على سبيل المثال، هناك مجالات بحثية مثل التعلم الآلي المستوحى من الفيزياء، والتعلم الآلي الكمومي، أي دمج خوارزميات الكم ضمن برامج التعلم الآلي. إن الترابط بين هاتين الطريقتين سريعتا التطور – الخوارزميات الكمومية والذكاء الاصطناعي – يوفر بالتأكيد تأثيرات تآزرية لم تكن في الحسبان. ومع ذلك، فإن السرعة التي يحدث بها هذا الترابط تنطوي أيضًا على مخاطر محتملة.
بصفتك رئيسًا للجمعية الفيزيائية الألمانية، شريك مؤسس للسنة الدولية للعلوم والتكنولوجيا الكم، كيف ترى إرث المائة عام الماضية من العلوم الكمومية في توجيه عملك لدعم أهداف السنة الدولية؟
قبل مئة عام، لعبت مدينة غوتينغن الألمانية دورًا محوريًا في نشأة فيزياء الكم كما نعرفها اليوم. ففي عام 1925، وُضعت القوانين الأساسية لميكانيكا الكم هناك لأول مرة. لذا، ونظرًا لما حدث في غوتينغن، تكتسب السنة الدولية لعلوم وتكنولوجيا الكم أهمية خاصة لدى مجتمع الفيزياء في ألمانيا. لذا، ضمن الجمعية الفيزيائية الألمانية، كرّسنا عام 2025 بأكمله لفيزياء الكم! نحتفل بنجاحاتها، ولكننا سنركز بشكل خاص على آفاق ميكانيكا الكم المستقبلية.
ولتحقيق هذه الغاية، تقدم الجمعية الفيزيائية الألمانية برنامجًا توعويًا شاملاً على مدار العام، يتألف من خمسة خطوط موضوعية: (أ) الفيزياء الكمومية في البحث وتقنيات الكم؛ (ب) الكم في المدرسة، اللعب بالكم: يمكن لتقنيات الكم الحديثة أن توفر زخمًا جديدًا للتدريس من أجل زيادة الوعي العام والتعليم الواسع في العلوم الطبيعية ككل؛ (ج) الكم في الموسيقى، وفي الفلسفة، والفن، والأفلام والأدب؛ (د) الكم في العالم المهني والمهنة والتواصل مع المجتمع؛ و(هـ) الطريق إلى عالم الكم الحديث وما بعده.
تُعدّ نظرية الكمّ من أعظم الرؤى الأساسية التي توصلت إليها البشرية في عالمنا. قد نكون متحمسين، لكن لا ينبغي أن نبالغ في وعودنا بمستقبلٍ قريب. تُؤكد الجمعية الفيزيائية الألمانية على الأهمية البالغة لعلم الكمّ، وتدعو إلى الترويج الفعال للبحث القوي والمجاني في أساسيات فيزياء الكمّ. في الوقت نفسه، وكجزء من إرث المئة عام الماضية، يُطلب من العلم أن يُواكب التطورات الجديدة في تقنيات الكمّ بمسؤولية وبما يعود بالنفع على البشرية، وأن يُراعي بعناية الآثار المجتمعية المُحتملة. ويشمل ذلك أيضًا الشفافية وإطلاع المجتمع على الفرص، وكذلك المخاطر المُحتملة. تاريخيًا، ونظرًا للوضع العالمي الحالي، فإن الإمكانات الأمنية الاستراتيجية لتقنيات الكمّ واضحة أيضًا.
لقد أشرتَ إلى أن للفيزياء دورًا محوريًا في التحول الضروري نحو إمدادات طاقة آمنة وخالية من الوقود الأحفوري. ما هي آمالك وتوقعاتك فيما يتعلق بإمكانية مساهمة علوم وتكنولوجيا الكم في حل أزمة المناخ؟
فيما يتعلق بالتحديات العالمية الرئيسية في عصرنا، يأتي تغير المناخ السريع على رأس قائمة التحديات. وللتخفيف من آثار تغير المناخ، تلعب الفيزياء، وستلعب، دورًا رئيسيًا في التحول الضروري لإمدادات الطاقة نحو نزع الوقود الأحفوري. وهنا، تُعد الطاقة الكهروضوئية مثالًا رئيسيًا على فيزياء الكم التطبيقية، ولديها القدرة على معالجة أزمة المناخ بسرعة، لأن المشكلة ملحة. وكما توقعت الوكالة الدولية للطاقة، فإن معدل نمو الطاقة الكهروضوئية خلال العقد المقبل يفوق بكثير جميع المصادر الأخرى لإمدادات الطاقة الكهربائية. ولا تعتمد الطاقة الكهروضوئية فقط على تأثير أينشتاين الضوئي الذي اكتُشف قبل أكثر من 100 عام: إذ تتضمن الألواح الشمسية عالية التقنية اليوم جوانب أكثر بكثير من تكنولوجيا الكم وأشباه الموصلات. ومع ذلك، فإن المزيد من البحث والتطوير في أنظمة تخزين الطاقة والشبكات الكهربائية (الذكية) ضروري أيضًا للتحول السريع والواسع النطاق نحو مصادر الطاقة المتجددة وإدارة الطاقة المستدامة.
وعلاوة على ذلك، في حين أنه من المهم أن يتم تطوير التقنيات المذكورة بأقصى سرعة، فإنه لا بد من وضع المنظور الطويل الأمد في الاعتبار أيضاً.
يشمل ذلك التقنيات القائمة على فيزياء الكم لتوليد طاقة شبه خالية من الوقود الأحفوري، مثل الاندماج النووي. وبما أن الأفق الزمني لإنتاج الكهرباء على نطاق تجاري واسع لا يزال يُقدر حاليًا بعدة عقود، فإن تقنيات الاندماج النووي غير متاحة بعد لتلبية الحاجة الملحة للحد من الاحترار العالمي. ومع ذلك، ينبغي مواصلة تعزيز ودعم البحث والتطوير في مجال الاندماج النووي كخيار طويل الأجل.
تُقام فعاليات السنة الدولية لعلوم وتكنولوجيا الكم في جميع أنحاء العالم، مما يُسهّل الحوار العلمي عبر الحدود والثقافات، ويُلهم الشباب للمساهمة في قرنٍ جديدٍ من علوم الكم. ما رأيك في قيمة تعددية الأطراف في ضمان استمرار المعرفة العالمية بعلوم الكم وغيرها من العلوم، والاستثمار فيها؟
إنني مقتنع تمامًا أنه في عالم يتسم عالميًا بالميل نحو التفتت داخل المجتمعات وبينها، فإن التواصل المتعدد الأطراف من جانب المجتمع العلمي الدولي أصبح أكثر أهمية من أي وقت مضى.
من ناحية أخرى، يُوفر علم الكم، بإمكانياته المذهلة وزخمه العالمي الملحوظ، ظروفًا مثاليةً لتعزيز التواصل العالمي. وهنا، تُسهم الفعاليات المتنوعة التي أطلقتها ونظمتها السنة الدولية لعلوم وتكنولوجيا الكم في بناء الهوية.
خلال السنة الدولية لعلوم وتكنولوجيا الكم، تُنظّم الجمعية الفيزيائية الألمانية سلسلةً من الفعاليات البارزة التي تهدف إلى تعزيز التبادل الدولي في مجال علوم الكم. على سبيل المثال، كانت غانا الدولة الضيفة، حيث استضافت ندوةً بارزةً في اجتماعنا السنوي للجمعية الفيزيائية الألمانية في مارس. علاوةً على ذلك، نُنظّم هذا الخريف مؤتمرًا دوليًا كبيرًا إضافيًا في غوتينغن، مهد ميكانيكا الكم، والذي يُسلّط الضوء على جوانب فيزياء الكمّ بكلّ تنوّعها. وبالمناسبة، يُنظّم زميلي، توماس كونراد (من جامعة كوازولو ناتال، ديربان، جنوب أفريقيا)، في نهاية يونيو، بدعمٍ من عددٍ من الزملاء من الجمعية الفيزيائية الألمانية، مؤتمرًا بعنوان "علوم وتكنولوجيا الكمّ في جميع أنحاء أفريقيا"، بهدف تطوير شبكةٍ أفريقيةٍ شاملةٍ لعلوم الكمّ.
من ناحية أخرى، يُنذر التطور السريع لتقنيات الكم بظهور تبعيات عالمية جديدة. وعندما نتحدث عن السيادة الرقمية، ينبغي أن ينطبق هذا أيضًا على تقنيات الكم.
كيف هي تجربة العمل كفيزيائي متخصص في المادة المكثفة ؟ كيف يؤثر مجال عملك على رؤيتك للعالم وتفاعلك معه، وما هي مشاريعك البحثية التي تعمل عليها أو تخطط لها؟
بين النقيضين الفيزيائيين، الكون المصغر للجسيمات الأولية والكون الكبير للفيزياء الفلكية، يكمن عالمٌ آسرٌ متعدد الطبقات: عالم المادة المكثفة. للوهلة الأولى، تبدو المادة مألوفةً لنا لأنها مرئيةٌ من حولنا. ولكن لفهم سبب وجود المادة والمواد على ما هي عليه، وخاصةً كيف يُمكن تكييف خصائص المواد الجديدة والرائعة في القرن الحادي والعشرين وتمكين التقنيات الجديدة، تلعب فيزياء الكم دورًا حاسمًا.
في بحثنا، نتعامل من جهة مع مواد فائقة الرقة تتكون من عدة طبقات ذرية، يمكن تخيلها متراصة كقطع ليغو. تهيمن التأثيرات الكمومية على التيار الكهربائي في هذه المواد الكمومية، وندرس كيفية استغلالها بذكاء في المكونات الإلكترونية المستقبلية. بالإضافة إلى ذلك، ندرس التحكم الكمومي، أي كيفية تثبيت الأجسام الميكانيكية الكمومية وتشغيلها والتحكم فيها، وكذلك فيما يتعلق بعمليات أجهزة الحوسبة الكمومية المستقبلية.
لذا، بصفتي فيزيائيًا متخصصًا في المادة المكثفة، تُعدّ فيزياء الكم مصدر رزقنا اليومي: في محاضراتي وأبحاثي، وفي نقاشاتي اليومية مع زملائي وأعضاء مجموعتي. بمعنى ما، نحن علماء الفيزياء الكم نعمل في مجال هجين: عالم الكم بظواهره المخالفة للبديهة، وعالمنا التقليدي العادي.
تتوجه وقائع الأمم المتحدة بالشكر إلى البروفيسور الدكتور ريختر على مشاركته رؤاه الخبيرة في مجال العلوم الكم وأهميتها العالمية المتزايدة.
تم نشر هذا المقال بمساعدة الترجمة الآلية حيث تم بذل جهود معقولة لضمان دقته. الأمم المتحدة ليست مسؤولة عن الترجمة غير الصحيحة أو غير الدقيقة أو غير ذلك من المشاكل التي قد تنتج عن الترجمة الآلية. إذا كانت لديكم أي أسئلة تتعلق بدقة المعلومات الواردة في هذه الترجمة، فيرجى الرجوع إلى النسخة الإنكليزية الأصلية من المقال.
وقائع الأمم المتحدة ليست سجلاً رسمياً. إنها تتشرف باستضافة كبار مسؤولي الأمم المتحدة وكذلك المساهمين البارزين من خارج منظومة الأمم المتحدة الذين لا تعبر آراءهم بالضرورة عن آراء الأمم المتحدة. وبالمثل، الحدود والأسماء المعروضة والتسميات المستخدمة في الخرائط أو المقالات، لا تعني بالضرورة موافقة أو قبول من قِبل الأمم المتحدة.
